JP3537357B2 - 接触疲労寿命強度に優れた歯車 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車および工作
機械などに用いられる歯車に係わり、特に自動車のトラ
ンスミッション等の駆動伝達系に使用される鋼製の高強
度歯車に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車の駆動系に用いられる歯車は、歯
切り加工された後に浸炭焼入れ・焼戻し（以後、浸
炭）、或いは浸炭窒化焼入れ・焼戻し（以降、浸炭窒
化）等の熱処理によって表面の硬さを上げ、歯車同士の
接触疲労寿命強度を確保している。近年、自動車におけ
る騒音が問題になり、歯車の精度向上が必要となってい
る。精度向上に対して、熱処理前に仕上げ加工であるシ
ェービング加工が行われているが、一層の精度向上には
熱処理時に生じる熱ひずみの除去が必要であり、熱処理
後にホーニング等の研削加工が行われるようになってき
た。

【０００３】また、車両重量の軽量化のための部品サイ
ズの小型化、及びエンジンの高出力化等に伴い、歯車に
対する負荷が大きくなり、とりわけ歯面に発生するピッ
チングに対する疲労寿命向上が要求されるようになって
いる。歯車のピッチング疲労寿命向上に関しては、特開
平１−２６４７２７号公報に開示されるように熱処理後
にショットピーニングを行い歯車に圧縮残留応力を付与
する方法が提案されている。しかし、特開平３−１０７
４１８号公報はショットピーニングにより歯面のピッチ
ング疲労寿命はかえって低下するとの記載もある。ま
た、ショットピーニングは歯車表面を荒らすため、使用
時の騒音問題も有している。

【０００４】歯車表面にＴｉＣ，ＴｉＮなどの硬質皮膜
を蒸着させる方法が、特開昭６２−１９９７６５号公報
あるいは日本機械学会論文集（Ｃ編）５９巻５５７号２
７２頁（１９９３年）に報告されている。しかし皮膜成
膜時に９５０℃まで再加熱するため、騒音で問題となる
熱ひずみが生じる。しかも、硬質なセラミックス皮膜が
形成されているため、研削等による熱歪みの除去が困難
であるという問題を有している。

【０００５】さらには、ピッチング疲労寿命に優れた鋼
材として各種鋼材が、特殊鋼４４巻３号３９〜４８頁
（１９９５年）に報告されているが、いずれも浸炭、或
いは浸炭窒化等の表面硬化処理まま材が対象にされてい
る。表面硬化処理ままの歯面近傍には浸炭時に粒界酸化
層が生成され、ピッチングはその粒界酸化部から発生す
る。そのため粒界酸化層を抑制すべくＳｉ，Ｍｎ，Ｃ
ｒ，Ｎｉ等の成分調整が検討さている。

【０００６】このように、高負荷荷重下における歯車の
ピッチング疲労特性に関して、その疲労寿命を向上させ
る工業的に有益な技術は、未だ見出されていないのが実
状である。特に、熱ひずみ除去のために、表面硬化処理
後に研削が施される歯車に対するピッチング疲労寿命向
上に関する有効な対策は見出されていなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、自動車のト
ランスミッション等の駆動伝達系に使用される歯車にお
いて、歯車におけるピッチング疲労寿命を向上させるこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、熱ひずみ
除去のため表面硬化処理後に研削加工が施された歯車、
或いは真空浸炭された歯車など、歯面に粒界酸化層がな
い場合にＭｎＳ介在物がピッチングの起点となることを
見出した。熱間圧延時に延伸したＭｎＳは歯面の歯幅方
向に延伸した形態で存在する。図１は、歯車におけるＭ
ｎＳの延伸方向と接触荷重の移動方向を示しているが、
歯車では歯面上を荷重が接触しながら移動し、その方向
は歯幅とは直角方向に交差している。そのため、延伸し
たＭｎＳはそれと直角方向に引張応力を受けることにな
る。そして接触荷重が歯面を移動する際、ＭｎＳは地鉄
との界面での密着性が低いこと、また硬質なＭｎＳは変
形せず地鉄が変形するなどしてＭｎＳと地鉄の間に空孔
ができピッチングに至っている。そしてこのＭｎＳの形
状によって発生する引張応力が異なり、ピッチング寿命
が左右されることから、ピッチング疲労寿命向上策とし
て以下のような達成手段を明らかにし、本発明に至っ
た。

【０００９】すなわち、本発明は、下記（１）〜（３）
を提供する。 （１）質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．３
〜１．５％、Ｓ：０．０１〜０．０６％、Ｃｒ：０．３
〜１．５％を含有し、更に、Ｃａ：０．００１〜０．０
１％、Ｔｅ：０．００１〜０．０１％、Ｚｒ：０．００
５〜０．１％の１種又は２種以上を含有し、残部Ｆｅお
よび不可避不純物からなり、ＭｎＳの長径長さＬと短径
長さＤの最大比（Ｌ／Ｄ）が７以下であり、歯面に粒界
酸化層が無いことを特徴とする接触疲労寿命強度に優れ
た歯車。

【００１０】（２）更に、質量％で、Ｍｏ：０．２〜
１．０％、Ｎｉ：０．２〜１．０％の１種又は２種を含
有することを特徴とする（１）記載の接触疲労寿命強度
の優れた歯車。 （３）更に、質量％で、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｔ
ｉ：０．０１〜０．２％、Ｎｂ：０．０２〜０．２％の
１種または２種を更に含有することを特徴とする（１）
又は（２）記載の接触疲労寿命強度の優れた歯車。

【００１１】

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
Ｃは部品として必要な強度、特に芯部の強度を確保する
ために添加する元素であるが、０．１％未満ではこの様
な効果を十分に得ることができず、０．３％を超えると
靭性が低下するので、０．１％〜０．３％とする。

【００１３】Ｍｎは溶製時に脱酸材及び脱硫材として用
いられる他、強度、靭性、焼入れ性を確保するために必
要な元素であり、０．３％以上必要である。しかし、
１．５％を超えると熱間圧延後の冷却過程でベイナイト
やマルテンサイトの硬質な組織になり、歯切り等の切削
加工性に適さなくなる。Ｓは被削性を高めるのに必要な
元素である。歯車部品は鍛造で粗成形された後に歯形部
はホブ切り、シェーパー切り等の歯切り加工され、浸炭
等の表面硬化処理が行われる。Ｓはその歯切り加工、切
削における被削性に有効であり０．０１％以上含有させ
る必要がある。しかし、０．０６％を超えると鍛造時の
加工限界を著しく低下させる。また、Ｓが多いとピッチ
ングの起点となるＭｎＳが多くなり疲労寿命が低下する
ので、上限を０．０６％とする。

【００１４】Ｃｒは鋼の機械的性質、焼入れ性、耐摩耗
性の向上に寄与するが、この元素も１．５％を超える
と、熱間圧延後の冷却においてベイナイトやマルテンサ
イトの硬質な組織になり、その後の切削他の二次加工に
は適さなくなるため、１．５％以下とする。しかし、Ｃ
ｒの添加量が０．３％未満では焼入れ性の効果が十分で
ないので、その含有量は０．３％以上とする。

【００１５】焼入れ性を確保するためにＣｒだけでは不
十分であり、Ｍｏ及びＮｉなどの元素を必要に応じて含
有させる。従来鋼と同等あるいはそれ以上の焼入れ性を
与えるために、Ｍｏは０．２％以上含有させる。しかし
１．０％を超えて含有させても、その効果は飽和してし
まい経済性を損なうため１．０％以下とする。また、Ｎ
ｉも焼入れ性の効果を得るために０．２％以上含有させ
ることが好ましい。しかし１．０％を超えて含有させて
もその効果は飽和して経済性を損なうため、１．０％以
下とする。

【００１６】ＭｎＳの形状については、本発明者らはＭ
ｎＳの形状とピッチング寿命との関係を明らかにするべ
く研究した結果、ＭｎＳの長径長さＬと短径長さＤの最
大比（Ｌ／Ｄ）が７以下であるか、最大長さが１２μｍ
以下であれば高いピッチング疲労寿命を確保できること
が分かった。Ｃａ等を添加するとＭｎＳの変形能を低下
させるため、圧延時にＭｎＳは延伸せず楕円形状に成っ
ている。延伸した形状から、楕円さらに球状となること
によってＭｎＳ端における応力集中が小さくなるために
ＭｎＳと地鉄との剥離が生じにくく、ピッチング疲労寿
命が向上する。従って、ＭｎＳの長径長さＬと短径長さ
の比Ｌ／Ｄが小さい（１に近い）程ピッチング疲労寿命
は向上するが、Ｌ／Ｄ＞７であるとその効果が小さいた
めＬ／Ｄ≦７とした。また、Ｌ／Ｄの値を最大値で限定
したのは、ピッチング起点となるのはもっとも高い応力
が発生する延伸したＭｎＳから発生するのであり、平均
値が小さくても意味がないからである。さらに、Ｌ／Ｄ
が大きくてもＭｎＳ自体が小さければピッチングの起点
に成りにくい。図１に示される様に、ＭｎＳの延伸方向
長さである長径が短ければピッチングの起点と成りにく
いことから最大長径を１２μｍ以下とするのが好まし
い。１２μｍを超えるとＭｎＳの最大Ｌ／Ｄをいくら小
さくしても、ピッチング起点になる可能性が高いからで
ある。なお、ここでは実施例に示されるように、素材で
ある丸棒の半径／２部での圧延方向縦断面に対して２０
０〜５００倍の光顕写真から約２００個のＭｎＳについ
て長径Ｌと、短径Ｄを測定してＬ／Ｄの最大値、及び最
大長さを定義した。なおＭｎＳは、Ｃａ，Ｔｅ，Ｚｒを
含有する場合も含む。

【００１７】浸炭処理時に生成される粒界酸化層が残留
する歯車では、酸化した粒界部を起点としてピッチング
が発生するためＭｎＳ形状を抑制する効果がほとんど無
い。そのため表面硬化処理後に粒界酸化層が無いことが
必要であり、表面硬化処理後に熱ひずみ除去も兼ねて研
削を施する。或いは熱ひずみ除去が必要とされない場合
は真空浸炭によって表面硬化処理される工程も考えられ
る。なお、歯面断面の粒界酸化層は走査型顕微鏡で１０
００倍以上で観察でき、実施例においても同様にして粒
界酸化層が無いことを確認している。

【００１８】また、歯車軽量化においては、歯元におけ
る曲げ疲労強度も重要である。歯元曲げ疲労も歯面の表
面から発生するため、粒界酸化層の影響が検討されてき
た。しかし、本発明では粒界酸化層が無い歯車に限定さ
れており、より歯元曲げ疲労強度を向上させるためには
浸炭後の結晶粒の微細化が必要である。Ｖ，Ｔｉ，及び
Ｎｂは炭窒化物を生成し、浸炭結晶粒の微細化に効果の
ある元素であり、任意に添加することができる。その効
果を得るにはＶは０．０５％以上で、Ｔｉで０．０１％
以上、およびＮｂは０．０２％以上の含有が必要であ
る。しかし、Ｖで０．３％を超えて、Ｔｉで０．２％を
超えて、Ｎｂで０．２％を超えて含有しても効果は飽和
するため、Ｖは０．０５〜０．３％、Ｔｉは０．０１〜
０．２％、Ｎｂは０．０２〜０．２％とする。

【００１９】ＭｎＳの形態制御のため、Ｃａ，Ｔｅ，Ｚ
ｒの１種又は２種以上を含有させるが、Ｃａ，Ｔｅは
０．００１％以上、Ｚｒは０．００５％以上含有するこ
とが好ましい。一方、Ｃａ，Ｔｅは０．０１％、Ｚｒは
０．１％を超えて含有してもその効果は飽和してくるの
で、Ｃａ，Ｔｅは０．００１〜０．０１％、Ｚｒは０．
００５〜０．１％とする。

【００２０】なお、表面硬化処理として浸炭、或いは浸
炭窒化後ショットピーニングが行われこともある。その
場合も、ショットピーニング後の研削により粒界酸化層
が除去されていれば、ショットピーニングによる歯面の
荒れも無くなるためＭｎＳを起点としたピッチングが発
生する。従って、浸炭、浸炭窒化後にショットピーニン
グを施し、研削加工する方法によっても本発明の効果は
達成できる。

【００２１】

【実施例】表１に示す化学成分の鋼を溶製したのち造塊
し、次に分塊圧延、棒鋼圧延して直径７０ｍｍ（圧延比
５０）を製造し、さらに直径３２ｍｍの丸棒へ圧延し
た。Ｃａ，Ｔｅ，Ｚｒ等を添加してＭｎＳの形態を制御
した。各圧延材を９２５℃で焼きならし処理し、その
後、直径３２ｍｍの丸棒から直径が２６ｍｍ、幅２８ｍ
ｍの円筒部を有するローラー状試験片を作成した。また
直径７０ｍｍの丸棒を直径１５０ｍｍへ鍛造した後、９
２５℃で焼きならし処理し、直径１３０ｍｍ、幅１８ｍ
ｍの大ローラーを作成した。

【００２２】ローラー状試験片と大ローラーを浸炭ガス
雰囲気中で９３０℃×５時間加熱→１３０℃油焼入れ→
１８０℃×１時間焼戻しの条件で浸炭処理を行った。そ
の後、直径で５０μｍの研削を行った。浸炭時に生じる
粒界酸化層深さは、小ローラーの断面を走査型電子顕微
鏡で２０００倍で観察したところ約１５μｍであり、こ
の研削により粒界酸化層は除去されていた。なお、研削
後の粗さはＲmax ２μｍ以下であった。

【００２３】表１のＮｏ．１７，１８に示されるよう
に、浸炭に代わり浸炭窒化処理、及び真空浸炭処理も行
った。浸炭窒化処理条件としては、ガス浸炭窒化（９３
０℃×５時間加熱→炉冷→８４０℃×２時間ＮＨ３ガス
により窒化→油焼入れ）し、１８０℃×１時間の焼戻し
を行った。真空浸炭は、炉内のカーボンポテンシャルの
関係で加熱温度を１１００℃で行い、その後の研削は行
っていない。

【００２４】表１のＮｏ．１９に示されるように、浸炭
処理後ショットピーニングを施した試験片、及び大ロー
ラーも作成した。ショットピーニング条件は、直径０．
８ｍｍの鋼球を用い、ショット玉の照射速度８５ｍ／
ｓ、アークハイト０．６ｍｍＡの条件で行った。ピッチ
ング疲労寿命評価として、上記ローラー状試験片と大ロ
ーラーを組み合わせたローラーピッチング試験を行っ
た。試験条件は、試験片の回転数１０００ｒｐｍ、すべ
り率４０％、潤滑剤にはオートマチック用オイルを用
い、油温は約８０℃で行った。

【００２５】評価は、健全なままで１０⁷ 回まで回転が
可能な最大面圧をその鋼材のピッチング疲労強度とし
た。なお、面圧はヘルツ面圧で計算した。歯元疲労試験
として、一歯曲げ疲労試験を行った。前述の直径７０ｍ
ｍの丸棒を用い、熱間鍛造により直径１２０ｍｍに加工
し、９２５℃で焼きならし処理した。切削によりモジュ
ール４、歯数２７、ピッチ円直径１０８ｍｍ、歯幅９ｍ
ｍの試験用平歯車を作成し、各歯車を浸炭処理た後、ホ
ブにより精度ＪＩＳ０〜１級の歯車へ研削加工した。油
圧サーボ式引張試験機を用い、試験歯車の歯一枚に他方
の歯車から負荷されるようにこの試験歯車を組み見合わ
せて歯元に曲げ荷重を付与する疲労試験を行った。

【００２６】さらに、切削性評価として直径７０ｍｍの
丸棒の外周切削を行った。加工条件は、工具：ＳＫＨ５
７、切削速度７５〜８４ｍｍ／ｒｅｖ、工具送り速度
０．０２ｍｍ／ｒｅｖ、切削油：不水溶性油１２０ｌ／
ｍｉｎで行った。その際、３０００サイクル後の工具の
前逃げ面溝摩耗の長さが３００μｍ以内のものを合格と
いう基準で切削加工性を評価した。

【００２７】表１に各種供試材の成分、及びＭｎＳ形状
として最大長径／短径比と最大長径を示す。ＭｎＳの最
大長径／短径比と最大長径は、前述した直径３２ｍｍの
各圧延材において、半径／２部の圧延方向の縦断面を光
学顕微鏡で５００倍で撮影し、その写真から約２００個
のＭｎＳについて長径Ｌと短径Ｄを実測し、その測定値
から求めている。

【００２８】表２にローラーピッチング試験でのピッチ
ング疲労強度、さらに一歯曲げ疲労強度、切削加工性の
評価結果を示す。表１より、本発明のＮｏ．１〜Ｎｏ．
１９は全てＬ／Ｄ≦７となっている。これらの供試材を
用いたピッチング疲労強度は、表２より、いずれも３２
０kgf/mm^２以上であり高い寿命となている。また、Ｎ
ｏ．１１〜Ｎｏ．１４のＶ，Ｔｉ，Ｎｂ等を添加した供
試材では、一歯曲げ疲労強度は１１０kgf/mm^２以上であ
り、これらの成分を添加していない供試材より高い疲労
強度となった。また表２より、本発明例ではＳの量によ
らずＭｎＳのＬ／Ｄが小さいため、いずれの場合も切削
加工性は合格であった。

【００２９】一方比較例のＮｏ．２０〜Ｎｏ．２６で
は、表１より、いずれもＬ／Ｄ＞１５、かつＬ＞１４で
あり本発明法の条件を満足していない。従って、ピッチ
ング疲労強度も２６０kgf/mm² 以下と本発明法に比べて
６０kgf/mm² 以上も小さかった。６０kgf/mm² の差を疲
労寿命で考えてみる。例えばＮｏ．２１のピッチング疲
労強度は２６０kgf/mm² であり、面圧２６０kgf/mm² の
時に１０⁷ 回以上までピッチングは発生しない。しかし
６０kgf/mm² 高い面圧３２０kgf/mm² の場合、疲労寿命
は２．４×１０⁶ 回であった。従って疲労寿命は約４倍
も異なり、寿命として大きな差となる。

【００３０】また、比較例ではＭｎＳが延伸しているた
めに、一歯曲げ疲労強度も本発明法より低かった。Ｎ
ｏ．２７は、表１より、添加されるＳ量が少ないためピ
ッチングの起点となるＭｎＳが少ない。その為ピッチン
グ疲労強度は表２より３４０kgf/mm^２であり、本発明例
と同様である。しかし、ＭｎＳが少ないことから切削加
工性が悪く歯車製造時に問題を生じることになる。

【００３１】Ｎｏ．２８はＮｏ．２７と逆に添加される
Ｓ量が多い。そのため鍛造時に割れが発生することも懸
念されたが今回の試験片製造時には特に問題は生じなか
った。しかしピッチング疲労強度は２８０kgf/mm² 程度
であり、本発明例に比べて低い疲労強度であった。これ
はピッチングの起点となるＭｎＳが多いことと考えられ
る。

【００３２】Ｎｏ．２９はＭｎＳ形状も本発明例の条件
をみたすものの、浸炭まま、即ち粒界酸化層が残留した
ままであり、ピッチングが粒界酸化層から発生するため
ピッチング疲労強度は２４０kgf/mm² と低い。粒界酸化
層が除去されることで初めてＭｎＳ形状の抑制がピッチ
ング寿命に効果がある。

【００３３】

【表１】

【００３４】

【表２】

【００３５】

【発明の効果】本発明では、浸炭、或いは浸炭窒化等の
表面硬化処理を行った後に研削加工をするなど、粒界酸
化層が無い歯車においてＭｎＳの形態制御をすることに
より、使用時のピッチング寿命を飛躍的に向上すること
ができる。これにより、歯車の受ける負荷荷重を増大で
き、或いは歯車自体の小型軽量化が可能となり、歯車を
多く用いる自動車、建築用機械の小型軽量化を実現し、
燃費改善など多大の効果をもたらす。

【図面の簡単な説明】

【図１】歯車におけるＭｎＳの延伸方向と接触荷重の移
動方向を示す概念図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 蟹沢 秀雄 北海道室蘭市仲町12番地 新日本製鐵株 式会社 室蘭製造所内 (56)参考文献 特開 平７−188853（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−93031（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 8/60 F16H 55/17

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、Ｃ ：０．１〜０．３％、Ｍ
   ｎ：０．３〜１．５％、Ｓ：０．０１〜０．０６％、Ｃ
   ｒ：０．３〜１．５％、を含有し、更に、Ｃａ : ０．０
   ０１〜０．０１％、Ｔｅ : ０．００１〜０．０１％、Ｚ
   ｒ : ０．００５〜０．１％、の１種または二種以上を含
   有し、残部鉄及び不可避不純物からなり、ＭｎＳの長径
   長さＬと短径長さＤの最大比（Ｌ／Ｄ）が７以下であ
   り、歯面に粒界酸化層が無いことを特徴とする接触疲労
   寿命強度に優れた歯車。
2. 【請求項２】 更に、質量％で、Ｍｏ：０．２〜１．０
   ％、Ｎｉ：０．２〜１．０％、の１種又は２種を含有す
   ることを特徴とする請求項１記載の接触疲労寿命強度に
   優れた歯車。
3. 【請求項３】 更に、質量％で、Ｖ ：０．０５〜０．
   ３％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｎｂ：０．０２〜
   ０．２％、の１種又は２種を含有することを特徴とする
   請求項１または２記載の接触疲労寿命強度に優れた歯
   車。